用好每一库仑——便携式时代的电源管理艺术

便携式产品的丰富功能让人们多了一种消遣的方式，玩游戏、看电影、听音乐、上网浏览新闻、发邮件、做报表等等原本需要在特定的地方完成的事情现在可以随时随地地进行。然而，非常令人懊恼的是，几乎每到意兴盎然处，“电量不足，请及时充电”的提示往往就不期而至……随着便携式设备市场的爆炸性增长以及“能量饥渴型”新功能的不断涌现，电源供应和电源管理半导体行业正经历一场前所未有的技术挑战。

对于任何新一代便携式产品，消费者都希望其每次充电后能够工作更长的时间。增强型多媒体或者高分辨率彩色图形等新功能需要更多的功率消耗，强劲的动态压缩、编解码、高性能的音视频实现，连续的通讯连接，对整个系统的运算能力的要求相对于以前的简单应用要高出数倍。而现阶段，在可以预见的几年内，可大幅延长使用寿命的新型电池技术如燃料电池进入大规模商用还不现实，锂离子电池的能量密度提高也非常有限。

飞兆半导体公司技术事务工程师Jeff Ju。

为了避免产品尺寸随电池增大而扩大，工程师经常必须从电池驱动的系统中挤出更多的效率，并通过集成度更高的设计来进一步使产品小型化。飞兆半导体公司技术市务工程师Jeff Ju很好地阐述了目前我们所处的状况：“产品功能的不断丰富对于功耗增加的要求将超过电池本身的供给能力。电池技术的推进对应于便携产品功能的增加和用户的需求来说相对较慢，所以产品设计必须变得更聪明更熟练有效地节省电源。最有效的设计对策就是半导体供应商提供更复杂的电源管理技术方案。”

产业界有一种略显夸张但是不无道理的说法：“便携式产品的设计就是电源设计”。由此可见电源管理在便携式应用中的重要性。飞思卡尔半导体无线及移动系统部亚太区射频产品技术市场及应用经理梁伟权指出，早一点考虑电源管理的具体细节，是成功设计便携式产品的前提，这有助于建立节电的硬件和软件基础，从而获得最佳的电池寿命。

提高电池续航能力的两个关键

一般而言，提高电电池续航能力的两大关键不外乎是提高电源供给的效率和降低负载的功耗。提高电源供给的效率就是要选择合适的电压变换电路。而降低系统功耗主要看两个指标，即工作电流和静态电流。针对工作电流，一般设计时会采用较小功率消耗的芯片或者元器件，在布线时尽量减小线路板负载。很多电源芯片可以由微处理器控制，根据电流消耗选择不同的电流输出。针对静态电流，一般选用较小静态电流的芯片，将所有未使用的芯片休眠，关闭微处理器所有未用IO口，如在光亮充足的情况下，自动关闭显示屏背光，或者在耳机未插入的时候让音频芯片处于休眠待机状态等等。

凌特公司电源产品销售经理 Tony Armstong。

提高电源效率是一项专门的技术，多数由硬件电路构成，如高效的开关电源(DC-DC变换)，但它只是电源管理的一个部分，而不是全部。目前为了使设计者更方便地进行电源管理，一些厂商还开发了电源管理软件用于嵌入式操作系统，运用这类操作系统，可以有效地降低软件编制中的工作量，同时优化系统的电源管理。降低负载的功耗则有着各种各样的选择，除降低系统电压、选择低功耗器件外，还有根据系统运行情况调整工作状态等措施，如空闲时期控制器件进入待机或休眠状态、在保证工作速度的前提下尽量采用较低的系统工作频率等。所以说电源管理既包含电源变换效率问题也包含负载降低功耗的问题。

虽然便携式产品功能的增加与电池功率密度的提升不成比例，想让电池的播放时间能够满足消费者的要求看似“不可能完成的任务”，但是面对挑战，TI高性能模拟产品市场部资深产品市场工程师张洪为表现出少有的乐观。基于TI的电源管理技术，他介绍了解决“电源缺口”问题的五道“魔法”。首先是NMOS技术，他说，P沟道MOSFET由于驱动简易而被广泛采用，但导通电阻大的问题也广为人所诟病，而该公司在多种DC-DC和LDO内部采用内建电荷泵的办法来驱动NMOS，提升效率。其次是为一些电源产品配上总线接口，这样系统可以根据性能需求动态增加或降低电压，最大限度地节省能量。

第三道“魔法”是专利驱动技术。预测门开关技术实现了半桥臂MOSFET的死区时间在0~5ns摆动，真驱动技术实现了转换时刻的最大驱动电流。这两大技术配合同步整流，可以极大地提高PWM转换电路的效率。充电管理是所谓的第四道“魔法”，张洪为介绍说，0.5%的终止电压精度和“渐停计数器”这两大特色使得TI的充电产品要多充6~8%的电量。最后一道魔法是电量计量和降压-升压可变拓扑。他说，判断电池耗竭不再根据电池电压而是根据库伦计数器，这在负载变动较大的场合可以多争取高达20%的电能。而配合最新的降压-升压可变拓扑结构，电池电压可以工作到2.7V，比起通常的3.0V截止，这又会争取额外的10%的电量。

总之，想方设法延长电池续航时间，其手段不外乎两大重心：提升各级电源转换效率和降低负载功耗。而体现在具体的解决方案实现上，各领先电源半导体供应商各有所长，侧重领域也不尽相同。

提升电源转换效率

在功能丰富的新型电池供电型产品的电源管理系统中，往往需要将输入电压进行多次升压、降压转换以满足各种功能块的需求，以手机而言，显示屏背光、处理器、存储器、闪光灯等就分别需要不同的供电电压输入，如何减少输入输出转换过程中的浪费，即进一步提高转换效率是便携式设备电源管理最主要的着眼点。如国家半导体的PowerWise Interface(PWI)的全方位节能技术，采用将馈电系统与耗电系统连接在一起，让这两个系统可以互相通信的方法，从而大幅度提高电源效率。

安森美半导体模拟产品部 产品经理陈柏勋。

另外一个日渐凸显的发展趋势是采用开关电源来取代线性稳压器，因为这样可以大幅提高转换效率，从而延长电池的使用寿命。在安森美半导体模拟产品部产品经理陈柏勋看来，提升供电转换效率仍然是进一步努力的方向。据其介绍，该公司数年前就在这方面做了准备，就以最近推出的一系列DC-DC产品而言，高于90%的转换效率已经是一个既定的标准，如NCP1508/09/10A/11这个系列的降压DC-DC，全部已经达到93%的效率。

“另一方面从电池供电的角度, 安森美半导体也针对它的放电特性，尽量把电池里的最后一粒电子也挤出来。”陈柏勋说，以锂电池来讲，一般最低可靠电压可低至2.7V，但安森美半导体的IC却可在低至2.5V的电压下照常工作。针对碱性电池及镍氢充电池的放电特性，安森美半导体亦开发了很多升压芯片，工作电压可低于1V，最近一款新的芯片NCP1423更能低至0.8V工作，甚至带150mA负载仍可低于1V启动，这些特性刚好配合单电池供电的产品, 如MP3、无线光学鼠标等。

飞兆半导体的一种解决方案是通过1.5A的DC-DC降压器件来提供95%的效率以及1.5A的持续负载电流。这些同步PWM电流型DC-DC变换器件具有集成的MOSFET并封装在微型六管脚的3×3毫米MLP封装内。这些变换器件具有可调的输出电压(从0.8伏到输入幅值)，从而灵活地提供宽广的DC/DC应用。较高的固定工作频率(1.3MHz)有助于采用较小的外部器件。高工作频率以及超小封装可以产生节省空间的和成本更有效的设计。该公司的Jeff Ju指出，“展望未来，系统设计人员必须将电源管理技术及有助于节省功耗的产品优先列入设计思考。”

降低负载功耗

国家半导体亚太区显示器 产品市场业务经理陈永信。

在现有电池的功率密度得不到显著改善的情况下，降低便携式产品各种功能的负载功耗是增加电池续航时间的一个重要保证。举个例子，在一部功能完善的手机中，将各种功能以功率消耗量排序，依次是扬声器、彩色显示屏、闪光灯、相机、通话、MP3等。而其中尤以前三项为耗能大户，消耗功率均在300毫瓦以上，带有免提功能的扬声器输出功率甚至高达2瓦。因此，如何对这些高耗电型功能的电源管理进行进一步的技术改造和升级遂成为延长便携式系统续航能力的重要方向之一。

1、显示系统是节能重点领域

彩色LCD显示屏已经成为许多便携式产品的标准配置，显示屏的清晰度越来越高，画面色彩比以前更加璀璨亮丽，而且相应的新功能要求显示屏使用时间越来越长，如何有效持这方面的需求成为各电源管理器件厂商的重大课题。为节能所做的技术改进几乎涉及显示系统的每一个角落。显示屏背光是系统中耗电量最大的电路，其耗电量是显示屏所获供电的十倍以上。功率越大，通常意味着便携式设备的彩色LCD能够发出更强的光，但由于功率限制日趋苛刻，所以高亮度输出显示器并不实用。利用能源效率较高的白光LED背光使用户的总体能见度最大化，仍然是最受青睐的选择。

LCD需要不同的背光照明方法，包括场致发光、冷荧光以及发光二极管。其中，LED方法由于减少了外部元件数如变换器等，因而可大幅减少功耗。此外，多种LED驱动方案都采用脉冲宽度调制来降低LED的平均电流，从而减小了驱动电路所需的功率。目前，厂商们正在开发更先进的LED电荷泵产品，以提供更高的背光功率，满足更大和更加复杂的便携/无线设备的彩屏显示需求。凌特公司电源产品部产品销售经理Tony Armstrong表示：“市场要求现在的LED电荷泵器件必须为主屏和次屏显示器以及至少一个RGB显示提供背光电源。”

最新背光LED驱动产品包括TI的REG710x系列开关电容器降压-升压转换器，采用3×3mm SOT-23封装，可以为单体锂离子电池应用中的白光LED提供30mA的电流。这种无电感的电荷泵，准备用执行同样任务的、单独的LDO调节器取代一个升压转换器，可以提供2.5、2.7、3、3.3、5或5.5V的电压。凌特公司的LT3465具有内置的肖特基二极管，最多可用一个3.6V电源驱动6个白光LED。Sipex公司的SP6691升压转换器可驱动多达8个白光LED，采用5引脚SOT23封装，集成了一个30V电源开关，可管理的电流高达450mA。

美信公司推出的MAX6965 RGB和白光LED驱动器，具有一个SMB接口，可提供九个输出端口，每个端口的电流均可降至50mA。用户可以利用它的8位PWM亮度控制设定最多达240个亮度级。此外，Intersil公司推出一款高频脉宽调制升压调整器EL7513，能驱动4个串联的LED，或者12个串联/并联LED。模拟器件公司推出的电荷泵调整器ADM8839，专门设计用于微型TFT LCD，从一个3V电源中产生LCD控制器和面板晶体管门控驱动器所需的电压(+5V、+15V和-15V)。

除此以外，为节省功率消耗所做的努力还体现在显示系统的驱动芯片上，比如数码相机的预览系统。根据目前的设计，即使在预览阶段，所有影像数据都必须先传送往控制器，然后才传回显示器。这样来回传送数据完全没有必要，徒然浪费能源，因为影像数据在预览后会全部被删掉。国家半导体亚太区显示器产品市场业务经理陈永信特别指出，该公司推出的LCD驱动器可以持较宽的视频带宽，而且内置2维定标器，使相机可以在执行预览功能时直接与显示模块建立联系，以便传送数据。

这个设计确保相机在执行预览功能时，基带处理器及铰接位可以完全处于闲置状态，从而进一步节省了电能。国家半导体还推出一款设有智能型背光控制功能的全新TFT LCD显示驱动器，每当画面的光亮对比度较大时，驱动器便会自动调低背光亮度。这样将可大幅节省背光系统的耗电量，又不会为系统增添额外的成本。

Microchip标准单片机和技术部 工程总监Doug Chaffee。

2、降低音频部分的功率消耗

音频功率放大器是手机中又一能量消耗大户，输出功率可达750mW，对于带有免提功能的手机可达2W。如何提高放大器的效率，从而节省用在音频输出上的功率消耗呢？一种基于数字技术的D类音频功率放大器应运而生。D类音频功率放大器的功率输出级工作在开关状态，而传统的AB类模拟音频功率放大器的功率输出级工作在放大状态，因此D类音频功率放大器的效率要高于AB类音频功率放大器。D类音频放大器的产生标志着模拟技术独占数十年音频功率放大历史的终结。传统的AB类放大器，其效率随输出功率变化而变化，最好情况下的效率也只有70%，使用D类功率放大器可使效率提高到85～90%。

安森美半导体的陈柏勋表示，“其实在电源管理上可再改善的空间已经不太多了，所以安森美半导体在其它方面也做了很多努力，如在音频放大器方面。”据他介绍，该公司推出的D类功率放大器NCP2820，效率提升至差不多90%，相比AB类约提高了一倍。这与TI推出的一款产品类似，后者的TPA2010D1也可达到90%的效率，输出功率为2瓦。据市场研究公司Forward Concepts预测，2004至2006年间，全球音频放大器声道销售量将超过10亿个。有如此庞大的市场需求推动，以及各种终端音频设备轻、薄、小的发展趋势使然，D类放大器正逐渐崭露头角。

3、新工艺和新技术

在新兴的技术开发领域，通过采用深亚微米CMOS工艺，把核心处理器的电压降至1V以下，从而达到降低芯片功耗的目的。这需要电源转换芯片提供低于1V的输出电压和合适的输出电流、高传输效率、低噪声和小占位面积。在该领域，目前已经有几家领先半导体厂商推出了自己的产品。如TI推出的TPS62300 DC-DC转换器，采用2mm×1mm芯片级封装。这种新型器件的电源转换效率高达93%，输出电压可低至0.6V，可以持最先进的数字信号处理器和其它处理器。

“采用深亚微米CMOS晶圆制造工艺正在使CPU和DSP内核电压降至1V以下，这将需要一类新型电源转换芯片，这种芯片必须接受低电压输入并提供远低于1V的输出电压，且具有合理的输出电流、高转换效率、低噪声以及外形扁平和占位面积紧凑的特点。”凌特电源业务部产品市场经理Tony Armstrong说。该公司已经推出的LT3020低压降稳压器便是其中之一，它能够接受0.9V～10V的输入电压，并提供100mA的输出电流和低至0.2V的输出电压。

还有很多新技术可以在功耗降低方面发挥作用。据Jeff Ju表示，Fairchild的IntelliMAXTM 开关允许系统设计人员能够在不同的便携产品负载间切换从而节省功耗。同时，其1.8~5.5伏的工作范围允许上述负载开关工作在电池处于低电压的状态。以上提到的负载开关还具有其他功能比如低压自锁、过热切断、小于1uA待机电流以及自动启动功能。当持续过电流导致过热情况出现时，上述负载开关能提供过热保护从而关断开关来避免对产品造成破坏。当电流到达允许的极值时，负载开关将工作于恒电流状态来禁止由于过电流产生的破坏。

与节省电能消耗有关的努力还体现在其它相关模拟产品的开发上。Microchip公司标准单片机和技术部工程总监Doug Chaffee表示，通过开发PowerSmart系列产品，Microchip致力于解决全面的电池管理问题，其电量测量产品可以非常精确地测量电池在任何寿命阶段的可用电量，使用户能够最大限度地利用电池中的电量，从而延长充电间隔时间和电池的总体寿命。其次，该公司的电池充电控制芯片，可使电池充电能力达到最大化，而所需的充电时间更短。

作者：郑卫锋